專利名稱：分開循環(huán)式發(fā)動機中的部分負載控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及控制和最大化在部分負載條件下運行的分開循環(huán)式發(fā)動機的效率。
背景技術(shù)：
為了清楚起見，在本申請中所使用的術(shù)語“傳統(tǒng)發(fā)動機”表示其中公知的奧托 (Otto)或狄塞爾(Diesel)循環(huán)的所有四個沖程(即，進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排 氣沖程)包括在發(fā)動機的每一個活塞/氣缸組合中的內(nèi)燃機。每個沖程需要曲軸旋轉(zhuǎn)一半 (180度曲柄角(CA))，而且需要兩次完整的曲軸旋轉(zhuǎn)(720度CA)，以在傳統(tǒng)發(fā)動機的每個汽 缸中完成完整的奧托或狄塞爾循環(huán)。此外，為了清楚起見，應(yīng)用到現(xiàn)有技術(shù)中所公開的發(fā)動機和本申請中所涉及的術(shù) 語“分開循環(huán)式發(fā)動機”定義如下。分開循環(huán)式發(fā)動機主要包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄 軸，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動； 和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的跨接通道，所述跨接通道包括在其間限定壓力 室的跨接壓縮(XovrE)閥和跨接膨脹(XovrE)閥。分開循環(huán)式發(fā)動機用一個壓縮汽缸和一個膨脹汽缸的組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動機的兩 個相鄰汽缸。奧托或狄塞爾循環(huán)的四個沖程在兩個汽缸上“分開”，并且使得壓縮汽缸供給 進氣沖程和壓縮沖程，膨脹汽缸供給膨脹沖程和排氣沖程。因此曲柄軸每旋轉(zhuǎn)一次(360度 CA)就在這兩個汽缸中完成奧托或狄塞爾循環(huán)。2003 年 4 月 8 日授權(quán)給 Carmelo J. Scuderi 美國專利 No. 6，543，225(" Scuderi 專利‘‘)和2005年10月11日授權(quán)給David P. Branyon等的美國專利 No. 6，952，923(" Branyon專利")都包括分開循環(huán)式和類似類型的發(fā)動機的詳盡描述。此 外，Scuderi和Branyon專利披露了本發(fā)明包括它的進一步發(fā)展的發(fā)電機的現(xiàn)有形式。分開循環(huán)式發(fā)動機通常在奧托或狄塞爾循環(huán)的所有四個沖程期間將跨接通道中 的壓力維持在高的最小壓力(通常20巴或更高)。在跨接通道中維持最大壓力水平產(chǎn)生最 高的效率水平。此外，火花點燃(或奧托)分開循環(huán)式發(fā)動機優(yōu)選在火花點燃之前在膨脹汽缸維 持合適的空氣和燃料的混合物。按化學(xué)計量的空氣/燃料混合物(約為空氣與燃料質(zhì)量比 的14. 7倍)是理想的。富油混合氣(小于空氣與燃料質(zhì)量比的約14. 7倍)會留下多余的 燃料，這降低了效率。貧油混合物(多于空氣與燃料質(zhì)量比的約14. 7倍)會產(chǎn)生太多用于
6催化式轉(zhuǎn)換器(未示出)以致不能處理的氮氧化物(NOx)，造成不可接受的NOx排放水平。在現(xiàn)有的分開循環(huán)式發(fā)動機中，一個或多個跨接通道中的每一個的XovrC閥、 XovrE閥和燃料噴射器同步操作。換句話說，如果存在多個跨接通道，則所有的XovrC閥約 同時打開和關(guān)閉，所有的XovrE閥約同時打開和關(guān)閉，所有的燃料噴射器約同時將約相同 量的燃料注射到它們對應(yīng)的跨接通道中?；鸹c燃(或奧托)分開循環(huán)式發(fā)動機可以通過改變進入壓縮汽缸的空氣的質(zhì)量 控制負載。這可以通過利用進氣閥的可變閥動進行，雖然也可以采用節(jié)流閥。在部分負載 條件下，壓縮汽缸的進氣閥通常在壓縮活塞處于其向下沖程時(即，當(dāng)壓縮活塞從氣缸蓋 移開時)關(guān)閉。結(jié)果是，壓縮汽缸不能吸入空氣的完全裝載量。換句話說，在部分負載條件 下，當(dāng)壓縮活塞處于其下死點位置時，壓縮汽缸中的壓力通常小于1大氣壓。通過改變進入壓縮汽缸的空氣質(zhì)量控制負載允許火花點燃(或奧托)分開循環(huán)式 發(fā)動機以在膨脹汽缸中保持恰當(dāng)?shù)目諝夂腿剂系幕旌衔?。然而，以這種方式控制負載可能 具有不利的影響。在現(xiàn)有的分開循環(huán)式發(fā)動機中，壓縮壓縮汽缸中未完全裝載的空氣減低 一個或多個跨接通道中的壓力，因為同樣質(zhì)量的空氣未被像以全負載移動/壓縮那樣移動 /壓縮到一個或多個跨接通道。這當(dāng)然不能在跨接通道保持期望的最大壓力水平，并且會將 壓力降低到低于分開循環(huán)式發(fā)動機的前述高的最小壓力要求(通常20巴或更高)。因此，存在對在部分負載條件下滿足分開循環(huán)式發(fā)動機的一個或多個跨接通道的 高的最小壓力的需求。更特別地，存在對最大化在部分負載下運行的火花點燃分開循環(huán)式 發(fā)動機的一個或多個跨接通道中的壓力的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為在部分負載下運行的分開循環(huán)式發(fā)動機提供對上述跨接通道壓力問題 的解決方案。特別地，通過提供多個跨接通道，并且在部分負載時僅利用不需要是所有的跨 接通道的選定的跨接通道，本發(fā)明大體上解決了這些問題。在本發(fā)明的示例性實施方式中，這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種發(fā)動機實現(xiàn)， 該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑 動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期 間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納 在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨 脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道， 所述至少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨接壓縮(XovrC) 閥和跨接膨脹(XovrE)閥，其中壓縮汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間吸入空氣裝載 量并將所述裝載量壓入所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道 中。在本發(fā)明的其它實施方式中這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種發(fā)動機實現(xiàn)，該發(fā) 動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地 容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通 過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹 氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至 少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨接壓縮(XovrC)閥和 跨接膨脹(XovrE)閥，其中膨脹汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間從所述至少兩個跨 接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道接收流體。在本發(fā)明的其它實施方式中這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種發(fā)動機實現(xiàn)，該發(fā) 動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地 容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通 過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹 氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程 和排氣沖程而往復(fù)運動；使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少 兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨接壓縮(XovrC)閥和跨 接膨脹(XovrE)閥；和至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通 道中的一個，每個燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng)的跨接通道的出口端，其中發(fā)動 機可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道中的至少一個 的、但不是所有的跨接通道的出口端。任選地，在這三種實施方式中，膨脹汽缸可以可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間 從所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道接收流體。壓縮汽缸可 以可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間吸入空氣裝載量并將所述裝載量壓入所述至少兩個 跨接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道中。所述至少兩個跨接通道中的第一跨 接通道的容積可以在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之 間。該發(fā)動機可以構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位置時壓縮汽缸中的裝載量的壓力 小于1個大氣壓。在本發(fā)明的其它實施方式中這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種在部分負載時控 制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞， 所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲 柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活 塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次 旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少 兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨 接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，該方法包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接 壓縮(XovrC)閥中的至少一個的、但不是所有的跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。在本發(fā)明的其它實施方式中這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種在部分負載時控 制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞， 所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲 柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活 塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次 旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少 兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨 接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，該方法包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接膨脹(XovrE)閥中的至少一個的、但不是所有的跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。在本發(fā)明的其它實施方式中這些和其它優(yōu)點可以通過提供一種在部分負載時控 制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞， 所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲 柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活 塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次 旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩 個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨接 壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥；和至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴射器對應(yīng)于 所述至少兩個跨接通道中的一個，每個燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng)的跨接通道 的出口端，該方法包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述跨接通道中的至少一個 的、但不是所有的跨接通道的出口端的步驟。任選地，在這三種實施方式中，該方法還可以包括基于發(fā)動機的負載和速度中的 至少一個確定采用哪個燃料噴射器添加燃料的步驟。該方法可以包括基于發(fā)動機的負載和 速度中的至少一個確定啟動哪個跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。該方法可以包括基于發(fā)動機 的負載和速度中的至少一個確定啟動哪個跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。所述至少兩個跨接 通道中的第一跨接通道的容積可以在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的 40 %和60 %之間。該發(fā)動機可以構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位置時壓縮汽缸中的 裝載量的壓力小于1個大氣壓。根據(jù)本發(fā)明接下來參照附圖的詳細描述，將更全面地理解本發(fā)明的這些和其它特 征和優(yōu)點。


在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的分開循環(huán)式發(fā)動機的剖視圖；圖2和3沿著圖1中的線3-3截取的分開循環(huán)式發(fā)動機的剖面頂視圖；以及圖3至10為根據(jù)本發(fā)明的分開循環(huán)式發(fā)動機的第二實施方式的剖面頂視圖。
具體實施例方式參照圖1，數(shù)字50大體表示根據(jù)本發(fā)明的分開循環(huán)式發(fā)動機。分開循環(huán)式發(fā)動機 50包括可繞著曲柄軸軸線M旋轉(zhuǎn)的曲柄軸52。壓縮活塞72可滑動地容納在壓縮氣缸66 內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸52，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和 壓縮沖程而往復(fù)運動。膨脹(動力)活塞74可滑動地容納在膨脹汽缸68內(nèi)并且操作性地 連接到曲柄軸52，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù) 運動。至少兩個跨接通道78使膨脹氣缸66和壓縮氣缸68相互連接。每個跨接通道包括跨 接壓縮(XovrE)閥84和跨接膨脹(XovrE)閥86，跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE) 閥可操作以在它們之間限定壓力室81。在進氣沖程期間，通過向內(nèi)開口(向汽缸內(nèi)開口 )提升進氣閥82而將進氣從進氣 通道76吸入壓縮汽缸66。在壓縮沖程期間，壓縮活塞72對空氣裝載量加壓并將空氣裝載量驅(qū)動通過用作膨脹汽缸68的進氣通道的跨接通道78。分開循環(huán)式發(fā)動機50的壓縮汽缸的體積壓縮比在此稱為分開循環(huán)式發(fā)動機的 “壓縮比”。分開循環(huán)式發(fā)動機的膨脹汽缸的體積壓縮比在此稱為分開循環(huán)式發(fā)動機的“膨 脹比”。由于壓縮汽缸66中的非常高的壓縮比(如，40比1，80比1，或更大)，在所述一 個或多個跨接通道78中的每一個的進口處的向外開口(從汽缸向外開口)提升跨接壓縮 (XovrC)閥84，被用來控制從壓縮汽缸66進入一個或多個跨接通道78中的流動。由于膨 脹汽缸68中的非常高的膨脹比(如，40比1，80比1，或更大)，在所述一個或多個跨接通道 78中的每一個的出口處的向外開口提升跨接膨脹(XovrE)閥86，控制從所述一個或多個跨 接通道78進入膨脹汽缸68中的流動。通常，XovrC閥84和XovrE閥86的致動速率和相位 調(diào)整可被定時以在奧托或狄塞爾循環(huán)的所有四個沖程期間將所述一個或多個跨接通道78 中的壓力保持在高的最小壓力(通常20巴或更高)。一個或多個燃料噴射器90 (每個跨接通道78用一個燃料噴射器)響應(yīng)XovrE閥 86的打開，在所述一個或多個跨接通道78的出口端處將燃料噴射到加壓空氣中，XovrE閥 86的打開在膨脹活塞74到達其上死點位置之前很短的時間內(nèi)發(fā)生。燃料-空氣裝載量在 膨脹活塞74到達其上死點位置之后在非常短的時間內(nèi)完全地進入膨脹汽缸68。當(dāng)膨脹活 塞74開始從其上死點位置下降時，并且當(dāng)XovrE閥86仍然打開時，火花塞92點火，以開始 燃燒(通常在膨脹活塞74的上死點之后的10至20度CA之間)。XovrE閥86隨后在所產(chǎn) 生的燃燒活動可以進入所述一個或多個跨接通道78之前關(guān)閉。燃燒活動在動力沖程中向 下驅(qū)動膨脹活塞74。在排氣沖程期間，廢氣被抽出膨脹汽缸68，通過向內(nèi)開口提升排氣閥 88進入廢氣通道80。采用分開循環(huán)式發(fā)動機觀念，壓縮汽缸和膨脹汽缸的幾何發(fā)動機參數(shù)(即，孔徑、 沖程、連桿長度、壓縮比等)大體彼此獨立。例如，壓縮汽缸66和膨脹汽缸68的曲柄行程 56，58分別可以具有不同的半徑，并且可以彼此相位分開，其中膨脹活塞74的上死點(TDC) 在壓縮活塞72的TDC之前出現(xiàn)。這種獨立性使得分開循環(huán)式發(fā)動機可能實現(xiàn)比典型的四 沖程發(fā)動機更高的效率水平和更大的扭矩。第一示例性實施方式現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2和3，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式設(shè)置了大致相同容積的兩個跨接 通道78。每個跨接通道78設(shè)計為曲柄軸52在特定發(fā)動機速度下的單次旋轉(zhuǎn)期間處理(即， 經(jīng)由XovrC 84輸入或經(jīng)由XovrE 86輸出)的最大空氣質(zhì)量大致相同。在滿負載時，兩個跨接通道78都被利用。這意味著在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間，對 應(yīng)于兩個跨接通道78的XovrC閥84致動(即，打開和關(guān)閉)，兩個燃料噴射器90都將燃料 噴射到它們對應(yīng)的跨接通道78的出口端中，并且對應(yīng)兩個跨接通道78的XovrE閥86打開 和關(guān)閉。兩個跨接通道78的這種利用在圖3中由將燃料噴射到對應(yīng)的跨接通道78的出口 端中的兩個燃料噴射器90圖示。在部分負載時，發(fā)動機50'的電子控制單元(EOT)(未示出)選擇跨接通道78中 的至少一個利用。例如，在半負載時，壓縮汽缸吸入(或接收)空氣質(zhì)量。在半負載時，該 空氣質(zhì)量可以大致匹配跨接通道78中的任一個設(shè)計為在曲柄軸52旋轉(zhuǎn)期間處理的最大空 氣質(zhì)量。因此，E⑶選擇兩個跨接通道78中的一個利用。僅一個跨接通道78的利用在圖 2中由僅一種燃料噴霧示出，所述一種燃料噴霧由從燃料噴射器90的尖端向外并向XovrE閥86展開的虛線指示。未被利用的跨接通道78 (在圖2中由其對應(yīng)的未噴射燃料噴霧的 燃料噴射器90示出)通過不致動該跨接通道的XovrC閥84和XovrE閥86而釋放。假設(shè) 在該實施方式中跨接通道78具有大致相同的尺寸，則前述選擇可以基于諸如發(fā)動機50的 先前循環(huán)對發(fā)動機有什么樣的影響之類的因素。例如，如果在該實施方式中，發(fā)動機50僅 包括具有大約相同尺寸的兩個跨接通道78，則在兩個跨接通道中的每一個的利用之間交替 會是有利的，因為這樣做可以有利于使膨脹汽缸68的汽缸壁變濕。第二示例件實施方式現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4至10，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式設(shè)置了三個跨接通道94、96、98， 每個跨接通道的容積不同。在附圖中示出的實施方式中，最大的跨接通道94設(shè)計為在曲柄 軸52以特定發(fā)送機速度下的單次旋轉(zhuǎn)期間處理(即，經(jīng)由XovrC 84輸入和/或經(jīng)由XovrE 86輸出)的最大空氣質(zhì)量可以約為變量X的4倍(即，4X)。第二最小(或第二最大)跨接 通道96設(shè)計為在曲柄軸52以特定發(fā)送機速度下的單次旋轉(zhuǎn)期間處理(即，經(jīng)由XovrC 84 輸入和/或經(jīng)由XovrE 86輸出)的最大空氣質(zhì)量可以約為變量X的2倍(即，2X)。最小 跨接通道98設(shè)計為在曲柄軸52以特定發(fā)送機速度下的單次旋轉(zhuǎn)期間處理(即，經(jīng)由XovrC 84輸入和/或經(jīng)由XovrE 86輸出)的最大空氣質(zhì)量可以約為變量X(即，X)。第二實施方式中的跨接通道94、96、98的容積以雙態(tài)配置設(shè)計，以最大化選擇跨 接通道94、96、98的不同組合時最大質(zhì)量組合的數(shù)量。在該第二實施方式中，跨接通道94、 96,98存在七種不同的組合，所述組合可以具有該組合在曲柄軸52的單次旋轉(zhuǎn)期間可以處 理的不同的最大空氣質(zhì)量，如下表I所示。表 I
跨接通道94跨接通道96跨接通道98每次曲柄軸旋轉(zhuǎn)可 處理的最大質(zhì)量圖4001IX圖50102X圖60113X圖71004X圖81015X圖91106X圖101117XO =跨接通道未被選擇1 =跨接通道被選擇圖4至10示出了如在表I的左手欄表示的跨接通道的每種組合。例如，在圖4中 僅跨接通道98被利用(如在圖4中僅由跨接通道98中的一種燃料噴霧所指示)。圖5至 10示出了可以利用的跨接通道94、96、98的其它各種組合(每一種由該圖中的燃料噴霧指 示)°
為第一和第二實施方式詵擇跨接通道發(fā)動機50'的電子控制單元(ECU)使用發(fā)動機負載和發(fā)動機速度以確定第一實 施方式的多個跨接通道78或第二實施方式的多個跨接通道94、96、98中的哪個(如，用于 將空氣壓入、將燃料注入和給膨脹汽缸68供給動力)被利用于曲柄軸52的每次旋轉(zhuǎn)。理 想地，應(yīng)當(dāng)選擇合適的跨接通道78或94、96、98 (其沒有必要是所有的跨接通道78或94、 96,98)，以便與發(fā)動機10滿負載下運行時跨接通道78或94、96、98中的壓力相比，跨接通 道78或94、96、98中沒有壓力降。理想情形不是總可行的或?qū)嶋H的，然而，本發(fā)明目的在于 利用合適的跨接通道78或94、96、98 (其可以少于所有的跨接通道78或94、96、98)，以便最 小化跨接通道78或94、96、98中的壓力降。每個跨接通道78或94、96、98設(shè)計為在曲柄軸52在特定發(fā)動機速度下的單次旋 轉(zhuǎn)期間經(jīng)由其XovrC閥84輸入(或接收)特定的最大空氣質(zhì)量和經(jīng)由其XovrE閥86輸出 特定的最大空氣質(zhì)量。在第一實施方式中，用于每個跨接通道的這兩種最大質(zhì)量通常是相 同的值。換句話說，每個跨接通道78大體設(shè)計為在曲柄軸52在特定發(fā)動機速度下的單次旋 轉(zhuǎn)期間輸入(或接收)和輸出相同的空氣質(zhì)量。在第二實施方式中，每個跨接通道94、96、 98大體設(shè)計為在曲柄軸52在特定發(fā)動機速度下的單次旋轉(zhuǎn)期間輸入(或接收)和輸出多 倍的空氣質(zhì)量X。E⑶確定壓縮汽缸66在發(fā)動機50的任何給定進氣沖程過程中吸入(或接收)的 空氣質(zhì)量。E⑶隨后基于發(fā)動機速度和負載確定跨接通道78或94、96、98在曲柄軸52的 單次旋轉(zhuǎn)期間可以處理的最大質(zhì)量。任何單獨的跨接通道78或94、96、98在曲柄軸的單次 旋轉(zhuǎn)期間可以處理的最大質(zhì)量可以被預(yù)編程到ECU中，或者可替換地，ECU可以在發(fā)動機50 運行期間計算這些值。在任何情況中，E⑶將壓縮汽缸66在任何給定進氣沖程中吸入(或 接收)的空氣質(zhì)量與跨接通道78或94、96、98的各種不同組合在曲柄軸52的單次旋轉(zhuǎn)期 間可以處理的最大質(zhì)量相比較。表I示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的跨接通道94、96、98組合和最大質(zhì)量的示 例性列表。ECU優(yōu)選地選擇這種列表中的超過壓縮汽缸66在發(fā)動機50的進氣沖程期間吸 入(或接收)的空氣質(zhì)量的最小值。例如，對于變量X4. 5倍的空氣質(zhì)量(S卩，4. 5X)，ECU將 選擇如圖8所示的跨接通道94和98，因為跨接通道94和98在曲柄軸52的單次旋轉(zhuǎn)期間 一起可以處理5X的最大質(zhì)量。5X的最大質(zhì)量是超過4. 5X的跨接通道94、96、98的任何組 合的最小的最大可處理空氣質(zhì)量。分開循環(huán)式發(fā)動機50在發(fā)動機50的壓縮和動力沖程期間僅利用選擇的跨接通道 78或94、96、98(如，上述例子中的跨接通道94、98)，所述壓縮和動力沖程期間緊跟著發(fā)動 機50的進氣沖程之后，在所述進氣沖程期間選擇跨接通道78或94、96、98。這意味著僅對 應(yīng)于選定的跨接通道78的XovrC閥84在曲柄軸52的后續(xù)旋轉(zhuǎn)期間啟動(如，打開和/或 關(guān)閉)，使得由壓縮活塞72壓縮的空氣僅被壓入選定的跨接通道78或94、96、98中。僅設(shè) 置在選定的跨接通道78或94、96、98中的燃料噴射器90用來在曲柄軸52的后續(xù)旋轉(zhuǎn)期間 將燃料噴射到僅選定的接通道78或94、96、98的出口端中。并且，僅對應(yīng)于選定的跨接通 道78的XovrE閥86在曲柄軸52的后續(xù)旋轉(zhuǎn)期間啟動(如，打開和/或關(guān)閉)，以允許空氣 /燃料僅從選定的跨接通道78或94、96、98流入膨脹汽缸68。通過不啟動對應(yīng)于未被選定 的跨接通道的XovrC閥和XovrE閥，釋放未被選定的跨接通道。
上述系統(tǒng)量化在分開循環(huán)式發(fā)動機50的給定進氣沖程期間由壓縮汽缸66接收進 入到一組跨接通道78或94、96、98中以在分開循環(huán)式發(fā)動機50的后續(xù)壓縮和動力沖程期 間利用的空氣質(zhì)量，這(1)最小化了跨接通道78或94、96、98中的壓力損失，且( 最大化 跨接通道78或94、96、98中的壓力。這使得分開循環(huán)式發(fā)動機能夠在部分負載條件下運行， 同時在其跨接通道78或94、96、98中維持高的最小壓力。雖然已經(jīng)參照具體實施方式
描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，在所描述的創(chuàng)造性觀念 的精神和范圍內(nèi)可以進行多種改變。因此，意圖是本發(fā)明不限于所描述的實施方式，而是它 具有由接下來的權(quán)利要求的語言限定的整個范圍。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機，包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使 得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲 柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每 一個都包括跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和跨接 膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室；其中壓縮汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間吸入空氣裝載量并將所述裝載量壓 入所述至少兩個跨接通道中的至少一個中、但不是所有的跨接通道中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中膨脹汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間接 收來自所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道的流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，還包括至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個 燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng)的跨接通道的出口端；其中發(fā)動機可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道 中的至少一個的、但不是所有的跨接通道的出口端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的容 積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位置時壓縮汽 缸中裝載量的壓力小于1個大氣壓。
6.一種發(fā)動機，包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使 得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲 柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每 一個都包括跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和跨接 膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室；其中膨脹汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間接收來自所述至少兩個跨接通道中 的至少一個的、但不是所有的跨接通道的流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，其中壓縮汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間吸 入空氣裝載量并將所述裝載量壓入所述至少兩個跨接通道中的至少一個中、但不是所有的 跨接通道中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，還包括至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個 燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng)的跨接通道的出口端；其中發(fā)動機可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道 中的至少一個的、但不是所有的跨接通道的出口端。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的容 積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動機，構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位置時壓縮 汽缸中裝載量的壓力小于1個大氣壓。
11.一種發(fā)動機，包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使 得壓縮活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲 柄軸，使得膨脹活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運 動；使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的每 一個都包括跨接壓縮(Xovrc)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和跨接 膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室；和至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個 燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng)的跨接通道的出口端；其中發(fā)動機可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道 中的至少一個的、但不是所有的跨接通道的出口端。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其中壓縮汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間 吸入空氣裝載量并將所述裝載量壓入所述至少兩個跨接通道中的至少一個中、但不是所有 的跨接通道中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其中膨脹汽缸可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間 接收來自所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不是所有的跨接通道的流體。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的 容積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位置時壓縮 汽缸中的裝載量的壓力小于1個大氣壓。
16.一種在部分負載時控制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著 曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲柄軸，使得壓縮活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往 復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到 曲柄軸，使得膨脹活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù) 運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中 的每一個都包括跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和 跨接膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室，該方法包括下述步驟在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接壓縮(XovrC)閥中的至少一個、但不是所有的跨接 壓縮(XovrC)閥。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接膨脹 (XovrE)閥中的至少一個、但不是所有的跨接壓縮(XovrE)閥的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中發(fā)動機還包括至少兩個燃料噴射器，每個燃料 噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個燃料噴射器可操作以將燃料添加至對 應(yīng)的跨接通道的出口端，該方法還包括下述步驟在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不 是所有的跨接通道的出口端。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 采用哪個燃料噴射器添加燃料的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的容 積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中發(fā)動機構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位 置時壓縮汽缸中的裝載量的壓力小于1個大氣壓。
24.一種在部分負載時控制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著 曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲柄軸，使得壓縮活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往 復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到 曲柄軸，使得膨脹活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù) 運動；和使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中 的每一個都包括跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和 跨接膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室，該方法包括下述步驟在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接膨脹(XovrE)閥中的至少一個、但不是所有的跨接 膨脹(XovrE)閥。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接壓縮 (XovrC)閥中的至少一個、但不是所有的跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中發(fā)動機還包括至少兩個燃料噴射器，每個燃料 噴射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個燃料噴射器可操作以將燃料添加至對 應(yīng)的跨接通道的出口端，該方法還包括下述步驟在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述至少兩個跨接通道中的至少一個的、但不 是所有的跨接通道的出口端。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定采用哪個燃料噴射器添加燃料的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的容 積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中發(fā)動機構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位 置時壓縮汽缸中的裝載量的壓力小于1個大氣壓。
32.—種在部分負載時控制發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括曲柄軸，所述曲柄軸可繞著 曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲柄軸，使得壓縮活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往 復(fù)運動；膨脹(動力)活塞，所述膨脹活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到 曲柄軸，使得膨脹活塞可操作以在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù) 運動；使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接的至少兩個跨接通道，所述至少兩個跨接通道中的 每一個都包括跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥，所述跨接壓縮(XovrC)閥和跨 接膨脹(XovrE)閥可操作以在它們之間限定壓力室；和至少兩個燃料噴射器，每個燃料噴 射器對應(yīng)于所述至少兩個跨接通道中的一個，每個燃料噴射器可操作以將燃料添加至對應(yīng) 的跨接通道的出口端，該方法包括下述步驟在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間將燃料添加至所述跨接通道中的至少一個的、但不是所有的 跨接通道的出口端。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 采用哪個燃料噴射器添加燃料的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接壓縮 (XovrC)閥中的至少一個、但不是所有的跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接壓縮(XovrC)閥的步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間啟動跨接膨脹 (XovrE)閥中的至少一個、但不是所有的跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括基于發(fā)動機的負載和速度中的至少一個確定 啟動哪個跨接膨脹(XovrE)閥的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述至少兩個跨接通道中的第一跨接通道的容 積在所述至少兩個跨接通道中的第二跨接通道的容積的40%和60%之間。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中發(fā)動機構(gòu)造為使得在壓縮活塞處于其下死點位 置時壓縮汽缸中的裝載量的壓力小于1個大氣壓。
全文摘要
一種發(fā)動機，包括可繞著曲柄軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲柄軸。壓縮活塞可滑動地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得壓縮活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過進氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運動。膨脹(動力)活塞可滑動地容納在膨脹氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲柄軸，使得膨脹活塞在曲柄軸的單次旋轉(zhuǎn)期間通過膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運動。至少兩個跨接通道使膨脹氣缸和壓縮氣缸相互連接。所述至少兩個跨接通道中的每一個都包括可操作以在其間限定壓力室的跨接壓縮(XovrC)閥和跨接膨脹(XovrE)閥。發(fā)動機通過僅利用選定的跨接通道控制和最大化部分負載時的效率。
文檔編號F02B33/30GK102105664SQ201080002184
公開日2011年6月22日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者斯蒂芬·史古德利 申請人:史古德利集團有限責(zé)任公司